許江寧

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164

中斷與跳轉(zhuǎn)操作對指令串的影響

許江寧

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164

本文介紹了中斷、跳轉(zhuǎn)操作對運行中的指令串的影響，首先介紹了CPU指令并行的概念，再說明中斷，跳轉(zhuǎn)操作對并行運行的指令的影響，介紹了解決這種影響造成的錯誤的方法，主要是說明中斷，跳轉(zhuǎn)指令的特殊性。

中斷；跳轉(zhuǎn)；并行運行；取消指令

1 CPU指令并行的概念

觀察CPU執(zhí)行一條指令，總是可以分成如下兩個階段，首先CPU要從內(nèi)存中取出需要的指令，即讀指階段，其次根據(jù)指令來執(zhí)行，即執(zhí)行階段，而執(zhí)行階段，可以看成兩類較小的微指令的組合，第一類是數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)各個寄存器間的傳輸，第二類是ALU運算或I/O的輸入輸出，而執(zhí)行中的步驟也一般就是上面兩步（次序可變），或只有第一步?？傮w來說，CPU執(zhí)行一個指令最多可以再細(xì)分為第一階段加第二階段的兩個步驟共三步。因此系統(tǒng)執(zhí)行指令時，可以看成是一條三部分組成的流水線。下圖，是指令串的串行執(zhí)行。

上面設(shè)計的CPU，一次只執(zhí)行一條指令，一條指令執(zhí)行三個步驟最少有三個周期。但上面說的三步中，仔細(xì)分析，大都是可以并行運行的。例如兩類微指令，第一類只是CPU內(nèi)部總線上的操作，第二類是I/O或ALU部件的操作，兩類操作在空間上是獨立的，可以同時執(zhí)行，即并行執(zhí)行。又如每條指令都要先從內(nèi)存中讀取，這是I/O部件的操作，除了與讀寫類指令的讀寫操作有矛盾，也可以與其他操作并行執(zhí)行。總體來說，三部分間還是有較大的并行空間，下圖是理想狀況下指令串并行執(zhí)行的方式圖。

2 中斷、跳轉(zhuǎn)操作對并行運行指令的影響

并行執(zhí)行指令的結(jié)果是同時會處理數(shù)條指令，從執(zhí)行的結(jié)果看，他們是順序執(zhí)行的。如果出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，中斷類的指令，會造成指令串的改變，本來依次執(zhí)行，這種改變沒有問題，但如果并行執(zhí)行，一條指令先需要取指，再譯碼指令，只有到了譯碼階段，CPU才能知道讀到了一條跳轉(zhuǎn)類的指令，那之后要執(zhí)行的指令全部要修改，但此時，一定已經(jīng)預(yù)先讀取了某些指令，這些指令屬于原先的指令串，必須要舍去，可以使用EMP空白指令來取代已經(jīng)讀取的指令，這個指令沒有任何功能。

下圖是取消指令的示意圖，可見需要消去指令1后譯碼階段和執(zhí)行階段兩個時期讀取的指令。

上面只介紹了改變執(zhí)行指令地址這一過程的影響，但是，中斷操作（包括軟硬中斷兩種）的要求是處理完中斷，最后還能返回原來正在執(zhí)行的程序中，這樣CS，IP兩寄存器中的內(nèi)容就要保存起來。下面討論軟件中斷指令I(lǐng)NT，與硬件中斷類似，但更簡單些。對于軟件中斷，被保存的CS，IP的值應(yīng)該指向INT指令之后的一條指令，但是類似于上段的內(nèi)容，只有在執(zhí)行INT兩個周期前的CS，IP才指向INT后的這條指令，而此時已經(jīng)無法確定CS，IP的指向。有一個理解是過了兩個周期，那CS，IP就應(yīng)該指向INT后的第三條指令，此時只要把CS，IP減二保存起來就可以了。但是有一個重要的問題是，CPU在運行時，并不是每個周期都是讀取指令的，I/O有時還可能被讀寫內(nèi)存類的指令所占用，占用時，CS，IP是不變的。以下考察讀寫對I/O的占用情況，并分析這一影響的過程，因為微指令清零后，默認(rèn)的操作就是讀取指令，那么需要把不是默認(rèn)情況的未讀取指令的周期標(biāo)示出來。

分析“讀”，“寫”指令對讀取指令操作的影響時，對號表示此時刻可以讀入指令，叉號表示I/O被占用，無法讀入指令。下圖是“讀”指令的示意圖。

可見讀指令后最多只能連續(xù)執(zhí)行兩個指令，下圖是“寫”指令的示意圖。

寫指令后可以連續(xù)執(zhí)行三個指令。按照上面分析，可能會出“讀，讀，軟中斷”的情況，并且這三者也是連續(xù)被讀取，連續(xù)執(zhí)行的，此時，軟中斷后兩個周期內(nèi)，I/O都是被占用的，那CS，IP根本沒有變化。所以讀取INT指令兩個周期后，CS，IP可能會出現(xiàn)增加4，增加2，不變?nèi)N情況。所以此時要通過讀取指令情況，對CS，IP保存的數(shù)值進(jìn)行處理后再保存。

3 對指令串改變的解決方法

上面兩節(jié)中已經(jīng)對解決方法有所涉及，就是將后兩個周期讀取的指令取消掉，具體做法是用EMP指令覆蓋這些指令。觀察指令集表，可見EMP指令機(jī)器碼的高四位是1111，當(dāng)需要覆蓋指令時，用1111與目標(biāo)指令代碼相或，目標(biāo)代碼就轉(zhuǎn)化為EMP指令，如果不用覆蓋，就用0000與目標(biāo)代碼相或，目標(biāo)代碼不變。

對于輸出正確的地址，主要是一些條件判斷，需要對各種出現(xiàn)矛盾的情況做出處理。

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1674-6708（2015）149-0110-02